Quantenmechanische Übergänge in Graphen im Zeitlupentempo beobachtet
Physikerinnen und Physiker der Universität Regensburg, der Philipps-Universität Marburg sowie des Forschungszentrums Jülich haben eine innovative Methode entwickelt, um die ultraschnellen Bewegungen von Elektronen in Graphen sichtbar zu machen. Dabei wird gezeigt, wie starke elektrische Felder Elektronen antreiben und es ihnen ermöglichen, scheinbar verbotene Energielücken zu überwinden. Grundlage dieser Erkenntnisse ist eine neuartige Kombination aus Lasertechnik und Elektronenmikroskopie.
Landau-Zener-Majorana-Übergänge: Quantensprünge zwischen Energiebändern
Das beobachtete Phänomen lässt sich mit einem Aufzug vergleichen, dessen Stockwerksanzeige plötzlich von „3“ auf „20“ springt, ohne die dazwischenliegenden Etagen zu durchfahren. In der Quantenmechanik sind solche Sprünge, bekannt als Landau-Zener-Majorana-Übergänge, möglich und gelten als bedeutend für die Hochgeschwindigkeitselektronik in Halbleitern.
Das interdisziplinäre Team konnte erstmals die dynamischen Abläufe dieser Übergänge in Graphen direkt verfolgen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y).
Methodik: Elektronen im Takt des Lichts
Elektronen in Halbleitern sind normalerweise auf bestimmte Energiebänder beschränkt, die durch Energielücken voneinander getrennt sind. Bei Landau-Zener-Majorana-Übergängen überwinden Elektronen diese Lücken, indem sie durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt werden.
Zur Untersuchung dieser Vorgänge entwickelten die Forschenden ein Photoemissions-Impulsmikroskop, das nicht wie herkömmliche Mikroskope Bilder erzeugt, sondern die Energie- und Bewegungszustände von Elektronen erfasst und daraus eine Verteilungskarte erstellt. Diese Technik erlaubt es, viele Elektronen gleichzeitig zu beobachten und diejenigen zu identifizieren, die quantenmechanische Übergänge durchlaufen.
Die Herausforderung bestand darin, die Elektronenspektroskopie mit extrem schnell oszillierenden Lichtfeldern zu kombinieren, welche die Elektronen gezielt anregen. Nach jahrelanger Arbeit kann das Team nun die Elektronenbewegung synchron zum Lichtimpuls über die gesamte Energielandschaft eines Festkörpers verfolgen.
Material und Experiment
- Verwendet wurden atomar dünne Kohlenstoffschichten höchster Reinheit, hergestellt am Forschungszentrum Jülich.
- Das Material musste nahezu perfekt sein, um die empfindliche Quantendynamik nicht durch Defekte zu beeinträchtigen.
- Ein spezielles „gedrehtes“ Graphen, eine Jülicher Spezialität, erleichterte die klare Darstellung der Quantendynamik.
Die Zeitlupenaufnahmen zeigten, dass Elektronen unter Einfluss der starken Lichtfelder die Bandlücke mit einer Tunnelwahrscheinlichkeit von bis zu 100 % überwinden. Entscheidend für diese Übergänge ist die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen der Bandlücke nähern, was sie von herkömmlichem quantenmechanischem Tunneln unterscheidet.
Ausblick und Bedeutung
Die neu entwickelte Methode ermöglicht nicht nur die Untersuchung fundamentaler quantenmechanischer Prozesse, sondern auch die Analyse von Störeinflüssen, die die Kontrolle über Elektronenbewegungen einschränken. Erste Messungen an Graphen zeigen, wie Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter die Elektronenbewegung beeinflussen.
Diese Erkenntnisse sind relevant für zukünftige Technologien, bei denen Elektronen nicht nur durch elektrische Spannungen, sondern direkt durch ultraschnelle Lichtschwingungen gesteuert werden sollen.
Giacomo Inzani von der Universität Regensburg fasst zusammen: „Das Experiment eröffnet ein umfassendes Fenster in die Quantenwelt und erlaubt die Echtzeitbeobachtung der Elektronenbewegung durch die Energielandschaft eines Materials. Die Methode ist auf weitere Quantenmaterialien übertragbar und bietet neue Möglichkeiten zur gezielten Lichtsteuerung elektronischer Eigenschaften.“
Kontaktinformationen der Wissenschaftler
- Prof. Dr. Rupert Huber
Teamseite Universität Regensburg
rupert.huber@ur.de - Prof. Dr. Ulrich Höfer
Philipps-Universität Marburg
hoefer@physik.uni-marburg.de
Literaturhinweis
V. Eggers, G. Inzani, M. Meierhofer et al., „Subcycle videography of Landau-Zener-Majorana transitions in graphene“, Nature (2026), DOI: 10.1038/s41586-026-11214-y
